JP2005146413A - 低酸化物コーティングを形成するための成膜装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶融スプレーガン用の局所環境保護セルの提供。
【解決手段】 溶融スプレーガン用の局所環境保護セル１０は、上面及び底面を有し、スプレーガンの外周に取付けるのに適した環状リング１２と、リング１２の底面内に複数の開口を有する環状リング１２の回りに放射状に配置され真空を提供するように真空源と流体連通している複数の流路２０とを有している。この局所環境保護セル１０を使用することにより、局所ボンディングコートの設置が可能になると共に溶融修復プロセスに伴う工程数が最小になる。例えば、この局所環境保護セル１０を使用することにより、溶融プロセス中に溶融と低酸化物ボンディングコートの形成とが可能になり、そのため、溶融プロセスの後にボンディングコートを設置するために基材を別個のスプレーセルに配置する必要がなくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、金属物品の製造、回復又は修復に望ましいとされるような溶融（溶着）及びプラズマ溶射の方法と装置に関する。さらに特定的には、本発明は、低酸化物ボンディングコートを製造するための溶融方法と装置、また溶融プロセス中にボンディングコートを提供する方法に関する。

多くの種類の金属が産業用途に用いられている。その用途が厳しい作動条件を含んでいる場合は、特殊な金属が必要とされることが多い。一例として、ガスタービンエンジン内の部品は高温環境で作動する。これらの部品の多くは、ニッケル基及びコバルト基超合金から作られている。これらの部品は稼働中約１１００〜約１１５０℃の範囲の温度に耐えなければならないので、これらの超合金は断熱皮膜（ＴＢＣ）系で被覆されていることが多い。これらのコーティング系は、通常、超合金基材に直接設けられたボンディングコートと、このボンディングコートの上に設けられたセラミック系オーバーコートとを含んでいる。ジェットエンジンの場合、これらのコーティングがタービンブレード及びベーン、燃焼器ライナー、並びに燃焼器ノズルのような様々な超合金表面に設けられている。

ガスタービンエンジンオペレーターは、他のガスタービンエンジン部品と同様に、断熱皮膜を施してある部品を周期的に修復してその望ましい状態を回復させるのが望ましいと考えている。一般に、その部品が修復可能である場合は、多数の作業を含む修復サイクルにかける。この修復サイクルは、溶融（溶接）修復によるクラック（亀裂・割れ）の充填及び／又はチップ（先端）寸法の回復、ろう付け修復によるクラックの充填及び／又はベーンの等級の回復又は変更、チップ修復による研磨チップの回復、及びその他の工程のような作業を含み得る。また、この修復サイクルにはボンディングコート及び断熱皮膜の再設置も含まれる。従って、この修復プロセスは一般に、いろいろな設備・装置の組を必要とする数々のプロセス（加工・処理）工程を含んでいる。例えば、基材を修復するために、溶融に適した様々な溶融装置及びプロセスを用いて溶融を実施することができる。この溶融の後ボンディングコートを設置することができるが、このためには一般に修復しようとする部品をスプレーセルに移す必要がある。このように、溶融修復とボンディングコートのようなプラズマ溶射被覆を実施するには２つの別個の作業が必要である。

ＴＢＣ系の有効性は、それが保護している基材から剥離するまでに耐えることができる熱サイクルの数によって測定されることが多い。一般に、コーティングの有効性は、暴露温度が上昇すると低下する。ＴＢＣの機能停止は、何らかの意味でボンディングコート、例えばボンディングコートのミクロ組織に関連する脆弱さ若しくは欠点、又はボンディングコートと基材の界面若しくはボンディングコートとＴＢＣの界面における欠陥に基因することが多い。従って、基材の適切な長期にわたる保護のためには、ボンディングコートの特性の慎重な制御が重要である。
米国特許第５６９０８４４号明細書 米国特許第５７１９３６９号明細書 米国特許第５９６１８５６号明細書 米国特許第６０８４１９７号明細書 米国特許第６２６５６８９号明細書 米国特許第６３９０３８３号明細書 欧州特許出願公開第０３５０４８６号

現行のプロセスに伴う一つの問題は、ボンディングコートが、空気中における普通の熱溶射の間に酸化を受ける傾向があるということである。この酸化生成物は通常コーティング中に含まれ、得られるボンディングコートは通常より硬く、耐磨耗性がより高い。しかし、コーティング中に酸化物が存在すると、腐蝕、強度及び機械加工性に悪影響がある。コーティングの特に密度及び多孔性のような他の特性を改良するためにＨＶＯＦのような様々なプロセスが開発されて来ているが、これらのプロセスは比較的高価であり、しかもその本来の性質のため、プラズマ供給流中に酸素が導入され、そのために被覆工程中の酸化物形成の特有のメカニズムがもたらされる。また、既に述べたように、通例、溶射被覆工程中部品を配置するために別個の制御されたスプレーセルを使用する必要がある。

溶融スプレーガン用の局所環境保護セルが開示される。この局所環境保護セルは上面と底面を有する環状リングを含んでおり、この環状リングはスプレーガンの外周に取付けるのに適している。また、局所環境保護セルは、底面内に複数の開口を有する前記環状リングの回りに放射状に配置され、真空を提供するように真空源と流体連通している複数の流路も含んでいる。

また、本明細書中には、溶融ガンと局所環境保護セルの組合せも開示される。この組合せは、ハウジング内に配置された永久電極を含む溶融ガンを含んでおり、このハウジングは不活性ガス通路用流路を含んでいる。また、前記組合せは、溶融ガンの外周に取り付けられた局所環境保護セルも含んでおり、この局所環境保護セルは溶融ガンハウジングを囲み上面と底面を有する環状リングを含んでおり、さらに、前記リングの底面に複数の開口を有する環状リングの回りには、複数の流路が放射状に配置され、真空を提供するための真空源と流体連通している。

基材を溶融し、この溶融プロセス中に低酸化物ボンディングコートを形成するための方法は、基材の溶融しようとする領域の周囲に不活性雰囲気を維持することを含んでおり、ここで、不活性雰囲気の維持は、局所環境保護セルを用いてプラズマアークの周囲を真空にすることからなる。前記方法は、また、基材を溶融し、基材の前記領域に溶融池を形成することを含んでおり、ここで、溶融池は後縁と前縁を有する。さらに、前記方法は、溶融池が固化する間又は固化する前に、基材上にボンディングコート層を形成するのに有効な粉末を前記後縁に選択的に付着させることを含んでいる。

別の実施形態による低酸化物コーティングを形成する方法は、加工品の上でプラズマアークを形成し、局所環境保護セルを用いてプラズマアークの回りである領域の周囲を真空にすることを含んでおり、ここで、この局所環境保護セルはプラズマアークを形成するためのプラズマスプレーガンの外周と係合した環状リングを含み、この環状リングは基材の上方に位置する開口を有する複数の流路を含んでいる。この真空により、粒子状物質、未反応粉末、オゾン、及びヒュームを基材から除去する。さらに、前記方法は、キャリヤーガスに入れた粉末を加工品に送って低酸化物コーティングを生成させることを含んでいる。

以下の詳細な説明及び図面により、上記特徴及びその他の特徴を例示する。

図面中、類似の要素には同じ番号を付してある。

ここで図１〜３を参照すると、制御された雰囲気中でプラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）又はガスタングステンアーク（ＧＴＡ）溶融プロセスのような溶融作業を実施するための局所環境保護セルが全体を１０で示されている。ＰＴＡ及びＧＴＡ溶融プロセスのような溶融プロセスでは一般に、当技術分野で公知のように、アルゴン、ヘリウムなどのような不活性ガスを永久タングステン電極の回りに流す。この不活性ガスは電極を保護し、基材をプラズマに暴露することによって形成された溶融池を概ね遮蔽する。有利なことに、また以下に述べるように、この局所環境保護セル１０は、溶融スプレーガンの回りの雰囲気を制御するために別個のスプレーセルを使用する必要性を排除し、従って溶融作業の有用性が増大する。この局所環境保護セルは溶融池の周囲に均一な真空をもたらし、基材から汚染物質を除去すると共にオゾン、未反応粉末、ヒューム、などに対する排出メカニズムを提供する。

局所環境保護セル１０は一般に環形状のリング１２をもっている。環状リング１２の内径は、好ましくはネジが切られており、また溶融スプレーガン１４の外径を受容する大きさになっており、このスプレーガンは環状リング１２がスプレーガン１４とネジ係合するように補完的なネジが切られている外面１６をもっている。矢印１８で示されているように複数の流路が環状リング１２内に規定されている。図示してあるように、この複数の流路１８は、環状リング１２の外周に放射状に取り付けられた８つのチューブ２０からなり、リングの底面２４に配置された入口２２と流体連通している。流路１８は好ましくは環状リング１２の回りで均一に間隔をとって配置されていて、均一で制御された真空を提供する。８つの通路が示されているが、所望の配置及び用途に応じてそれより多くても少なくてもよい。また、底面２４に配置されチューブ２０と流体連通している入口２２の数も所望の用途に応じて増やすことも減らすこともできる。

場合によりリング１２はリング内に環状通路（図示してない）をもっていて、各流路１８がそれと流体結合していてもよい。或いは、図に示されているように、各流路１８が別個の通路となっている。真空源２６が通路１８と流体結合していて真空を提供する。こうして、局所環境保護セル１０の作動中、ＰＴＡ溶融操作のような溶融操作が共同して、有利なことに、溶融中にオゾン、粒子状物質、ヒューム、粉末、などを連続的に除去することができる。局所環境保護セル１０が溶融スプレーガン２０に直接取り付けられており、かつ真空開口が溶融池すなわちプラズマによって被覆しようとする基材３０に近接しているので、様々な従来技術の溶射用途で雰囲気を制御するために用いられていた別個のスプレーセルはもはや必要とされない。すなわち、局所環境保護セルがプラズマアーク及び溶融池の回りに封じ込め中心を提供するからである。このようにセル１０を使用すると、エンドユーザーが局所プラズマ溶射を例えば溶融修復プロセスの一部として含ませる機会が可能となり、そのため商業的に大きな利点となる。さらに重要なことに、局所環境保護セル１０と組み合わせてスプレーガンを使用して低酸化物ボンディングコートを形成することができる。これらの利点については以下でさらに詳細に述べる。

ここで図４を参照すると、金属加工品５２を溶融するのに適した一例のプラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）トーチ系５０が示されている。この系５０は一般にプラズマ移行型アークトーチ５４、ガス供給源５８、６０、粉末供給源又はホッパー６２をもっている。トーチ５４は、トーチ５４に繋がれた導線６８と、加工品５２に繋がれて電気的接地を提供する第２の導線７０とを有する電源６６をもっている。ガス供給源５８は、プラズマを発生させると共に溶融池及びプラズマアークの回りに適切な遮蔽ガスを提供するのに使用されるアルゴン又はアルゴンとヘリウムの組合せ、などのような遮蔽及び／又はプラズマガスをトーチ５４に供給するように導管７２を用いてトーチ５４と流体連通して繋がれている。局所環境保護セル１０はトーチ５４の外周の回りに配置されて示されており、真空源２６と流体連通している。

プラズマガスは一般に公知の方法でトーチ５４の環状チャンバーに供給されて、パイロットアークを形成するように電極チップを包囲し絶縁する。遮蔽ガスは一般にトーチの下側部分に供給され、環状路に従って分配されて、溶融操作中に生成した溶融池を酸素のような外部化学汚染物質に対して実質的に保護する。局所環境保護セルを使用すると、さらに、外部汚染物質に対する保護が補完されると共にヒューム、オゾン、過剰の粉末などが基材から除去される。ガス供給源６０は、粉末をトーチ５４中に運搬するキャリヤーガス、好ましくはアルゴン又は窒素ガスをホッパー６２に提供する。

粉末ホッパー６２はトーチ５４と流体連通しており、このトーチは、流体導管７８を介して、粉末ホッパー６２からの粉末７４及びガス供給源６０からのアルゴン又は窒素のようなキャリヤーガス７６を受領する。このキャリヤーガス７６は、粉末７４をトーチ５４に運搬するために制御された流量で提供される。粉末は一般に金属充填材粒子の形態であり、ボンディングコート用途の場合、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｂｏ、Ｆｅ、Ｗ、及びＷＣからなることができ、これらの個別の選択は所望の用途に依存する。

遮蔽ガスをスタンドオフボリューム内に収容しそこから酸素を置き換えるように、通例管状排除フェンダー又はスカートがスプレーガンノズルを包囲していてよい。この場合、局所環境保護セル１０はスカートに取り付けられる。遮蔽ガスは一時的な排除ゾーンを提供し、プラズマアーク７６はこの中に維持され、加工品１２を溶融又は被覆するための入射粉末を受容する。このスカートはコーティング中の酸化物レベルを低下させることができるが、局所環境保護セル１０と組み合わせると、プラズマ雰囲気内の酸素の存在が実質的に排除され、そのため低酸化物ボンディングコートを設置することができ、しかも酸化した粉末がボンディングコート中に混入されるのを阻止できる。その結果、ボンディングコート中の酸化物レベルは有利なことに低下し、しかも有利なことに密度は増大する。

ボンディングコートのようなコーティングを形成するには、永久タングステン電極（−）と加工品との間に形成された電気アークを通過するアルゴンガスをイオン化することによってプラズマアークを確立する。このアークは一般に「移行型アーク」といわれる。この移行型アークはプラズマノズルにより閉じ込められて、温度約１００００〜約１５０００℃の「プラズマカラム」となる。このアークにより放出されるエネルギーはアークに印加された電流の量及びアーク長に比例する。粉末化金属は制御された速度で注入口からプラズマ流の中及び／又はその回りに供給され、その後アークにより溶融状態に加熱される。この溶融物質が基材上に析出する。

プラズマエネルギーと粉末供給速度の関係により、加工品を融解する残りの「アークエネルギー」の量が決まる。その結果、加工品中への侵入の深さに対する極度に良好な制御が達成される。大きい外側ノズルを介して遮蔽ガスを送り、プラズマの回りのかなりの領域を酸化から保護する。通例、精巧な冷却系を用い、当業者に広く知られている方法によってプラズマトーチ温度を耐え得るレベルに維持する。

既に述べたように、局所環境保護セル１０を溶融スプレーガンと組み合わせると、ボンディングコート、トップコートなどの設置を必要とする用途で酸化物レベルがさらに低下する。ボンディングコートの一般的な目的は、その後の断熱皮膜の金属基材に対する接着力を改良することである。ボンディングコート、例えば、ＭＣｒＡｌＹ（ここで、ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、又はＮｉとＣｏの混合物である）又はハフニウム及びケイ素若しくは拡散アルミ化物のような他の金属若しくは合金は、部品の超合金基材部分、通常ニッケル基又はコバルト基超合金基材に第１層として設けられる。このボンディングコートは酸化及び腐蝕に対する保護を提供することができ、トップコートに対する機械的結合面となる。トップコートの一例は、ガスタービンで一般的な高温のガス流の作用から金属を保護する断熱皮膜である。

ボンディングコートの厚さは、その部品に望まれる酸化保護及び腐蝕保護並びに材料コストのような様々な要因に依存する。ボンディング層の厚さが寸法公差を超えてはならないので、部品の形状と大きさも考慮されるであろう。ボンディングコートは部品に幾らかの重量を追加するので、（特に翼の場合）部品の重量制限も考慮すべき追加の要因となろう。一般に、厚さは約５０〜約５００ミクロンの範囲、好ましくは約１００〜約４００ミクロンの範囲である。特に好ましい実施形態では厚さが約２００〜約３００ミクロンの範囲である。

一つの実施形態において、ボンディングコートは溶融プロセス中同時に設置される。このプロセスは一般に、既に述べたように溶融ガンと組み合わせて局所環境保護セル１０を用いて基材に溶融池を形成することを含んでいる。この溶融池は前縁と後縁を有する溶融状態にある。ボンディングコートを形成するのに適した粉末を後縁に選択的に付着させる。この後縁では溶融池は前縁より冷たい。粉末は後縁の固化の直前又は固化と同時に付着させる。こうして、粉末は溶融池に完全には溶解しないが、高い引張強度を示す粗い不連続のボンディングコート層を形成する。得られるボンディングコートはＴＢＣを熱溶射するのに適している。局所環境保護セル１０は上述のようにボンディングコートの酸化物含量を低下させ、そのため稠密なボンディングコートを提供する。有利なことに、溶融中にボンディングコート層を設置すると、溶融プロセス後にボンディングコート層を熱溶射するのに通常使用される別途の独立したプロセスを排除することによってサイクル時間が短くなる。

一つの具体的な実施形態に関して本発明を説明して来たが、当業者には、本開示の範囲から外れることなく様々な変更ができ、またその要素を等価物と置き換えることができることが了解されよう、また、特定の状況又は材料を本開示及び教示に適合させるために本開示の範囲から実質的に外れることなく多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、本発明を実施する上で考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に入るあらゆる実施形態を含むものである。

図１は、局所環境保護セル及びプラズマスプレーガンの部分透視図である。 図２は、図１の局所環境保護セルの平面図である。 図３は、図１の局所環境保護セルの底面図である。 図４は、プラズマ移行型アークトーチ系の概略図である。 図５は、本発明に従って製造された酸化物レベル１０パーセントのボンディングコートの顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ 局所環境保護セル
１２ 環状リング
１４ スプレーガン
１６ 開口
２０ 流路
２４ 底面
２６ 真空源
５２ 基材
５４ 溶融スプレーガン
７４ 粉末

Claims (11)

1. 溶融スプレーガン用の局所環境保護セル（１０）であって、
   上面及び底面（２４）を有しており、スプレーガン（１４）の外周（１５）に取付けるのに適した環状リング（１２）と、
   リング（１２）の底面（２４）内に複数の開口（１６）を含む環状リング（１２）の回りに放射状に配置されており、真空を提供するために真空源（２６）と流体連通している複数の流路（２０）と
   を含んでなる、局所環境保護セル（１０）。
2. 複数の流路（２０）が、環状リング（１２）内に含まれる環状通路と流体連通している一端と、真空源（２６）と流体連通している他端とを有する複数のチューブからなり、各チューブが環状リング（１２）の周辺に沿って均一の間隔をもって配置されている、請求項１記載の局所環境保護セル（１０）。
3. 複数の流路（２０）が、環状リング（１２）を通って底面（２４）内の開口まで延びる１以上の通路と流体連通している一端と、真空源（２６）と流体連通している他端とを有する複数のチューブからなる、請求項１又は２記載の局所環境保護セル（１０）。
4. スプレーガン（１４）がプラズマ移行型アークトーチである、請求項１〜３のいずれかに記載の局所環境保護セル（１０）。
5. 基材を溶融し、溶融プロセス中に低酸化物ボンディングコートを形成するための方法であって、
   基材（５２）の溶融しようとする領域の周囲に不活性雰囲気を維持し、ここで、不活性雰囲気の維持は、局所環境保護セル（１０）を用いてプラズマアークの周囲を真空にすることを含んでなり、
   基材（５２）を溶融し、基材（５２）の前記領域に、後縁及び前縁を有する溶融池を形成し、
   溶融池が固化する際又は固化する前に、基材（５２）上にボンディングコート層を形成するのに有効な量の粉末を前記後縁に選択的に付着させる
   ことを含んでなる、前記方法。
6. 溶融池の形成が、プラズマ移行型アーク手段（５４）でプラズマを形成し、基材領域の一部分をプラズマに暴露することからなる、請求項５に記載の方法。
7. さらに、熱溶射プロセスでボンディングコート上に断熱皮膜を設置することを含んでなる、請求項５又は６記載の方法。
8. プラズマ移行型アーク手段（５４）におけるプラズマの形成が、プラズマ移行型アーク手段（５４）の電極と基材（５２）との間にアークを形成し、不活性ガスをアークに流すことからなる、請求項６に記載の方法。
9. ボンディングコートがＭＣｒＡｌＹからなり、ここでＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、及びＮｉとＣｏの混合物からなる群から選択される、請求項５〜８のいずれかに記載の方法。
10. 請求項５〜９のいずれかに記載の方法に従って修復し、ボンディングコートを設置したタービン部品。
11. 低酸化物ボンディングコートを形成する方法であって、
    基材（５２）の上でプラズマアークを形成し、
    基材（５２）の上に位置する開口を有する複数の流路（２０）を含む環状リング（１２）が、プラズマアークを形成するためのプラズマスプレーガン（１４）の外周（１５）と係合してなる局所環境保護セル（１０）を用いて、プラズマアークの回りである領域の周囲を真空にして、粒子状物質、未反応粉末、オゾン、及びヒュームを真空下で基材（５２）から除去し、
    キャリヤーガス中の粉末（７４）を基材に送達してボンディングコートを生成させる
    ことを含んでなる、前記方法。